大学物理振动和波及热学：3 循环过程卡诺循环.ppt

13.1 循环过程3 循环过程 卡诺循环3.2 理想气体的卡诺循环及效率作业：作业：3-83-8，3-93-9，3-103-108-68-6，8-78-7，8-88-8（新版）（新版）2历史上，热力学理论最初是在研究热机工作过程的基础上发展起来的在热机中被用来吸收热量并对外作功的物质叫工质工质往往经历着循环过程，即经历一系列变化又回到初始状态若循环的每一阶段都是准静态过程，则此循环可用P-V图上的一条闭合曲线表示箭头表示过程进行的方向工质在整个循环过程中对外作的净功等于曲线所包围的面积沿顺时针方向进行的循环称为正循环或热循环沿反时针方向进行的循环称为逆循环或制冷循环3 3 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环3.1 循环过程3正循环的特征：一定质量的工质在一次循环过程中要从高温热源吸热Q1，对外作净功|A|，又向低温热源放出热量Q2而工质回到初态，内能不变如热电厂中水的循环过程（示意如图）实用上，用效率表示热机的效能以 表示T1 Q1T2 Q2泵|A|气缸Q1、Q2、|A|均表示数值大小工质经一循环|A|= Q1-Q243.2 理想气体的卡诺循环及效率ab：与温度为T1的高温热源接触，T1不变，体积由Va膨胀到Vb，从热源吸收热量为 : bc：绝热膨胀，体积由Vb变到 Vc，吸热为零。

cd：与温度为T2的低温热源接触，T2不变， 体积由Vc压缩到Vd，从热源放热为:da ：绝热压缩，体积由Vd变到Va，吸热为零PV图O p VVaapa绝热线等温线pbpCpdVbVcVdbcdQ2Q11824年卡诺（法国）提出了一个能体现热机循环基本特征的理想循环卡诺循环由4个准静态过程（两个等温、两个绝热）组成5在一次循环中，气体对外作净功为 |A|= Q1-Q2 （ 参见能流图） 高温恒温热源低温恒温热源热机热机效率为:由绝热方程b c、d a理想气体卡诺循环的效率只与两热源的温度有关6& 后面将证明在同样两个温度T1和T2之间工作 的各种工质的卡诺循环的效率都由上式给定，而且是实际热机可能效率的最大值高温恒温热源低温恒温热源热机& 逆向循环反映了制冷机的工作原理，循环方向a d c b；其能流图如右图所示 致冷系数:定义为7这是在T1和T2两温度间工作的各种制冷机的制冷系数的最大值工质把从低温热源吸收的热量和外界对它所作的功以热量的形式传给高温热源，其结果可使低温热源的温度更低，达到制冷的目的吸热越多，外界作功越少，表明制冷机效能越好用制冷系数 表示实例 冰箱 热泵8卡诺致冷机致冷系数压缩机低温吸热高温放热高压液体高压气体节流过程Op VVaapapbpCpdVbVCVdbcdQ2Q193 3 循环过程循环过程 卡诺循环卡诺循环循环过程循环过程循环过程循环过程, ,简称简称循环循环. . 重要特征重要特征: :经历循环回到初始状态经历循环回到初始状态系统内能不变系统内能不变. .热机热机( (正循环正循环), ),OOp pV V致冷机致冷机( (逆循环逆循环). ).OOp pV V低温热源低温热源高温热源高温热源高温热源高温热源高温热源高温热源低温热源低温热源2 21 12 21 11 12 21 12 2A AA A10卡诺循环卡诺循环PVPV图图. .OO p p V VV Va aa ap pa a绝热线绝热线等温线等温线p pb bp pC Cp pd dV Vb bV Vc cV Vd db bc cd d2 21 1在循环过程中在循环过程中,Q,Q2 2代代表放出的热量表放出的热量. .卡诺正循环卡诺正循环a ab bc c d d卡诺循环的效率卡诺循环的效率: :卡诺循环的小结卡诺循环的小结: : (1)(1)高温、低温两个热源高温、低温两个热源; ;(2) (2) 效率只决定于两个热源的温度效率只决定于两个热源的温度; ;(3) (3) 效率总是小于效率总是小于1 1的的. .11卡诺致冷机卡诺致冷机: :循环方向循环方向a ad d c c b b a a致冷系数致冷系数: :定义为定义为卡诺致冷机卡诺致冷机压缩压缩机机低温吸低温吸热热高温放高温放热热高压液体高压液体高压气体高压气体节流过节流过程程OOp p V VV Va aa ap pa ap pb bp pC Cp pd dV Vb bV VC CV Vd db bc cd d2 21 112例题例题1.1.有一卡诺致冷机有一卡诺致冷机, ,从温度为从温度为-10-10o oC C的冷藏室吸取的冷藏室吸取热量热量, ,而向温度为而向温度为2020o oC C的物体放出热量的物体放出热量. .设该致冷机所设该致冷机所耗功率为耗功率为15kW,15kW,问每分钟从冷藏室吸多少热量问每分钟从冷藏室吸多少热量? ?解解: :据题意据题意 T T1 1 = 293K,T= 293K,T2 2 =263K, =263K, 则则压缩机每分钟做功压缩机每分钟做功 A=15A=15 10103 3 60=9 60=9 10105 5 (J)(J)每分钟从冷藏室吸取热量为每分钟从冷藏室吸取热量为 Q Q2 2=A=A = =9 9 10105 5 263/30=7.89 263/30=7.89 10106 6 (J(J ) )讨论讨论: :每分钟向高温物体放出热量为每分钟向高温物体放出热量为 Q Q1 1= Q= Q2 2 +A=8.79 +A=8.79 10106 6 (J(J ) )进进气气阀阀排排气气阀阀活活塞塞点点火火装装置置奥奥托托热热机机 V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置压压缩缩V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置压压缩缩V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置压压缩缩V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置压压缩缩V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置压压缩缩V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置压压缩缩V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置压压缩缩V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置爆爆炸炸V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置作作功功V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置作作功功V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置作作功功V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置作作功功V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置作作功功V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置作作功功V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置作作功功V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置作作功功V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置排排气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置排排气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置排排气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置排排气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置排排气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置排排气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置排排气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气V VV VV VP Pd db be e0 0c ca a奥奥 托托 循循 环环点点火火装装置置吸吸气气50例题例题2.2.内燃机的循环之一内燃机的循环之一奥托奥托(N.A.Otto)(N.A.Otto)循环循环, ,内燃内燃机利用气体或液体燃料直接在汽缸中燃烧机利用气体或液体燃料直接在汽缸中燃烧, ,产生巨大产生巨大的压强而做功的压强而做功. .奥托循环如图所示奥托循环如图所示( (abcdebaabcdeba).).试分析试分析各分过程的特征各分过程的特征, ,并计算其效率并计算其效率. .解解:(1):(1)abab等压膨胀等压膨胀( (吸入燃料吸入燃料) )OOp p V VV V0 0a ap p0 0V Vb bc cd de e2 2 Q Q1 1 (2) (2) bc bc绝热压缩绝热压缩( (升温升温) ) (3) (3) cd cd爆炸爆炸( (等体吸热等体吸热); );de de 做功做功( (绝热绝热) ) (4) (4) eb eb汽缸开口降压汽缸开口降压; ;baba排气排气 含有吸气排气的过程不能看做循环过程含有吸气排气的过程不能看做循环过程, ,但但bcdebcde可可当做当做以以空气作为工作物质的循环过程空气作为工作物质的循环过程. .其中其中bcbc、dede均为均为绝热过程绝热过程. .吸热在吸热在cdcd过程过程, ,放热在放热在ebeb过程过程. .51等容过程等容过程( (cd)cd)吸热吸热汽缸开口放气汽缸开口放气( (eb)eb)放热放热效率效率: :再利用两个绝热过程的过程方程再利用两个绝热过程的过程方程OOp p V VV V0 0a ap p0 0V Vb bc cd de e2 2 Q Q1 1二式双方相减后解出二式双方相减后解出52二式双方相减后解出二式双方相减后解出代入得内燃机效率代入得内燃机效率: :讨论讨论: :压缩比越。